[发明专利]单晶硅生产设备

说明书

本发明涉及一种按照切克劳斯基法生产大直径单晶硅的设备。更具体地说，本发明涉及单晶硅的这样一种生产设备，该生产设备包括：一装熔融硅的旋转式石英坩埚;一电阻式加热器，用以从石英坩埚的侧面加热石英坩埚;一石英分隔件，用以在石英坩埚中将熔融石英分隔成内单晶生长分区和外原料熔融分区，分隔件上具有多个小孔供熔融硅从其中通过;和原料进料装置，用以将原料馈入原料熔融分区中。

在大规模集成电路技术领域中，对单晶硅直径的要求一年比一年大。目前，最新的器件采用了直径6英寸的单晶硅。据说将来会需要直径10英寸或以上的晶体，例如，直径12英寸的晶体。

按照切克劳斯基法（CZ法），这是一种周知的生产大直径单晶硅的方法，坩埚中熔融硅的量是随单晶的生长而减少的。因此随着晶体的生长，晶体中掺杂剂的浓度增加，而氧的浓度减小。换句话说，晶体的性能沿晶体的生长方向变化。鉴于对单晶硅质量的要求随着大规模集成电路集成度年复一年的提高而日益严格，上述问题必须解决。

作为解决上述问题的一个措施，有一种已知的老方法是用具有许多供熔融硅流通用的小孔的石英坩埚将普通切克劳斯基法的石英坩埚内部加以分隔，使其内侧形成单晶生长分区，其外侧形成原料熔融分区，从而在原料硅连续馈入原料熔融分区的同时，内侧上生长出圆柱形的单晶硅。此外，迄今已公开了许多这方面有关的专利（日本专利公报40-10184，日本公开专利62-241889，日本公开专利63-233092，日本公开专利63-319287，日本公开专利64-76992和日本公开专利1-96087）。

但象上述那样在现有技术的基础上采用里面加了分隔件的双层结构坩埚来制造单晶硅时，熔融硅中的热环境正好与采用不带任何分隔件的普通单层结构坩埚的情况相反。

图9和10分别为上述单层结构坩埚和双层结构坩埚的纵向剖视图。该二图中，编号21表示坩埚，22为分隔件，4为熔融硅，5为提拉单晶硅，12为通过分隔件22供熔融硅流通用的小孔。此外，图中箭头表示熔融硅的对流方向。图9的情况是坩埚侧壁部分的温度比坩埚底部部分高。就是说，通过坩埚侧壁比起通过坩埚底部部分供应的热量多。这一事实即反映在石英坩埚21中的熔融硅的对流主要是按图9箭头所示的流动方向进行。但与图9的情况相比，要使图10的情况中通过坩埚侧面提供给单晶生长分区的热量，比通过坩埚21的底部部分输入的热量比例有所增加。这是因为分隔件22的侧面远离热源，而且在温度方面，原料熔融分区的熔融硅4中的温度分布在底部部分的温度要比其余部分高。在通过底部部分输入的热量比例大的热环境下，单晶生长分区中熔融硅的热对流必然主要取图10所示的对流方式，而这正好与图9的相反。在这种对流情况下，坩埚21底部部分中的高温熔融硅直接移动到单晶硅的固-液界面，于是产生了妨得单晶硅平稳提拉的问题。

本发明即根据上述情况提出的，因而本发明的目的是提供这样一种单晶硅生产设备，该设备采用带分隔件的双层结构坩埚，使坩埚底部部分中的高温熔融硅不致移动到固-液界面，从而确保单晶硅的平稳提拉。

第一种发明的单晶硅生产设备包括：一装熔融硅的旋转式石英坩埚;一电阻式加热器，用以从石英坩埚的侧面加热石英坩埚;一石英分隔件，配置得使其将坩埚中的熔融硅分隔成内单晶生长分区和外原料熔融分区，石英分隔件上有许多小孔供熔融硅从其中通过;和原料进料装置，用以将原料硅连续送到原料熔融分区中;其特征在于，分隔件为坩埚式的，分隔件底部部分紧固在石英坩埚底部内表面上，且分隔件在熔融硅表面上方的平均壁厚大于3毫米，但小于分隔件在熔融硅表面下方平均壁厚的80%。

第二种发明的单晶硅生产设备包括：一装熔融硅的旋转式石英坩埚;一电阻式加热器，用以从石英坩埚的侧面加热石英坩埚;一石英分隔件，配置得使其将石英坩埚中的熔融硅分隔成在内侧的单晶生长分区和在外侧的原料熔融分区，石英分隔件上有许多小孔供熔融硅从其中通过;和原料进料装置，用以将原料硅连续送到原料熔融分区中;其特征在于，分隔件是坩埚式的，分隔件的底部部分紧固在石英坩埚的底部内表面上，且分隔件底部部分的内径小于分隔件侧面外径，分隔件底部部分则支撑在外径大于分隔件内径的圆柱形石英件上。由于这些特点，在单晶生长分区内通过侧面部分输入的热量比通过底部部分输入的热量增加，从而使熔融硅的热环境与普通单层结构坩埚内的热环境相同，而且还避免了分隔件经一段长时间后下沉变形。